CN107829926A - 一种定量柱塞泵滑靴副油膜厚度的检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定量柱塞泵滑靴副油膜厚度的检测装置及方法，本发明的装置在原有泵体上予以改建，通过在顶部斜盘和底部斜盘上设置三组传感器，A组传感器指向滑靴运转的下死点处，B组传感器和C组传感器与A组传感器等角度设置在底部斜盘上，在滑靴转动时，能够采用三点法测得油膜厚度，使得结果更加准确。
Description
技术领域
本发明属于液压传动领域，具体涉及一种定量柱塞泵滑靴副油膜厚度的检测装置及方法。
背景技术
随着液压传动技术水平的提高，轴向柱塞泵的使用越来越普遍，然而柱塞泵三对摩擦副非正常磨损大大降低泵的使用寿命。滑靴与斜盘间的摩擦副受力较为复杂多变，经常出现偏摩、过度磨损问题，因此，通过油膜厚度检测以判断其磨损程度就变得非常必要。由于泵体结构紧凑，传感器安装困难，同时摩擦副间存在相对运动关系，易产生线路缠绕，传感器安装位置不当易破坏固有油膜厚度，使检测的油膜厚度不准确，此外还要求传感器尺寸小、精度要求高等问题，故油膜检测一直是研究和设计的热点和难点。
兰州理工大学的马庆伟搭建柱塞泵滑靴副油膜厚度测试系统，以验证数学模型获得的静压支撑润滑特性，测量不同结构、不同工作和环境条件下油膜厚度；浙江大学的孙营辉将斜盘设计成分体式，即转动斜盘和斜盘座两部分，使用螺杆调节斜盘倾角以测得滑靴不同位置油膜厚度。
上述两种方案都有其各自的局限性，第一种方法建模时只考虑柱塞绕主轴公转，忽略滑靴的自转，简化滑靴运动轨迹为圆运动，与实际工况存在很大差别，因此预测结果不太准确；第二种方法采用分体式斜盘测试低速运转时滑靴油膜厚度，未涉及高速运转情况，此外，采用螺杆调节斜盘倾角无法得到确切位置的油膜厚度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种定量柱塞泵滑靴副油膜厚度的检测装置及方法，通过设计柱塞泵斜盘并安装电涡流位移传感器，实时监测滑靴副油膜厚度。
为了达到上述目的，一种定量柱塞泵滑靴副油膜厚度的检测装置，包括设置在定量柱塞泵内底部斜盘和顶部斜盘间的若干传感器，传感器的上下两部分分别固定在顶部斜盘和底部斜盘上，顶部斜盘的上设置有滑靴，顶部斜盘与滑靴间覆盖有油膜，传感器的下部分与顶部斜盘间具有间隙，传感器分为A、B和C三组，A组传感器指向滑靴运转的下死点处，B组传感器和C组传感器与A组传感器等角度设置在底部斜盘上，定量柱塞泵包括缸体(11)，缸体(11)顶部设置有泵壳(8)，泵壳(8)上开设有出油口(9)，所有传感器的线缆通过出油口伸出后连接计算机。
缸体内插入主轴，主轴的一端伸出缸体，缸体前端设置有前端盖，后端设置有后端盖，前端盖和后端盖与主轴连接，主轴的前端通过第一轴承与缸体连接，主轴的后端通过第二轴承与后端盖连接，主轴的后端套设有弹簧，主轴上倾斜套设有底部斜盘和顶部斜盘，顶部斜盘上通过滑靴连接有一个控制柱塞和八个普通柱塞，滑靴通过回程盘压紧。
前端盖与主轴间设置有密封圈。
传感器通过六角螺母固定在底部斜盘上，底部斜盘上设置有不锈钢接头，传感器的线缆通过不锈钢接头引出后再通过出油口传出。
传感器的线缆上包裹有PET薄膜，PET薄膜外覆盖有PET热缩管，PET热缩管与线缆之间填充有涤纶树脂。
底部斜盘通过销钉固定在顶部斜盘上。
一种定量柱塞泵滑靴副油膜厚度的检测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤一，顶部斜盘持续转动，传感器的线圈靠近滑靴，两者相距为h，传感器的线圈输入交变高频电流；
步骤二，传感器的线圈引起交变磁通，滑靴内部产生闭合的感应电流；
步骤三，根据基尔霍夫电压平衡方程式，得到传感器探头线圈的等效阻抗，进而可得出传感器线圈等效电阻和电感；
步骤四，由于互感M随线圈与导体间距的减小而增大，当位移发生变化时，电感L亦会发生变化，将传感器线圈电感L作为振荡电路的一部分，在电容不变的情况下，线圈电感变化引起谐振频率f'改变，采用鉴频器对输出频率作频率-电压转换，即可得到与间隙h成正比的输出电压信号e，从而转换为油膜厚度。
步骤三中，传感器探头线圈的等效阻抗为：
其中，R1、L1分别为线圈电阻和电感，R2、L2分别为金属导体的电阻和电感，传感器线圈和金属导体之间存在互感系数M，它随间距h的增大而减小，ω为线圈激励电流的角频率。
步骤三中，传感器线圈等效电阻和电感为：
与现有技术相比，本发明的装置在原有泵体上予以改建，通过在顶部斜盘和底部斜盘上设置三组传感器，A组传感器指向滑靴运转的下死点处，B组传感器和C组传感器与A组传感器等角度设置在底部斜盘上，在滑靴转动时，能够采用三点法测得油膜厚度，使得结果更加准确。
进一步的，本发明采用PET热缩管将PET薄膜包裹在线缆上，在热缩管与线缆之间填充涤纶树脂将线缆、PET薄膜以及热缩管固结以增大线缆直径，防止油液泄露。
本发明的检测方法是在主轴旋转时，柱塞在斜盘上运动，缸体内部压力增大，产生真空，将油液从配流盘吸入，待油液充满整个滑靴，三组型号相同且安装在顶部斜盘上的传感器开始记录油液厚度，通过对数据采集处理以得到油膜厚度。
附图说明
图1是本发明测试装置结构原理剖视图；
图2是本发明测试装置线路安排图；
图3是传感器线圈与金属导体滑靴之间的等效电路图；
图4是本发明测试装置传感器安装位置图；
图5是本发明测试装置传感器安装位置局部剖视图；
图6是本发明测试装置油膜厚度检测原理流程图。
其中，1-主轴，2-密封圈，3-前端盖，4-第一轴承，5-不锈钢接头，6-六角螺母，7-传感器，8-泵壳，9-出油口，10-控制柱塞，11-缸体，12-柱塞，13-配流盘，14-后端盖，15-底部斜盘，16-顶部斜盘，17-销钉，18-滑靴，19-回程盘，20-弹簧，21-垫圈，22-第二轴承。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，主轴1前端安装有前端盖3，其内部嵌入密封圈2，防止油液外泄。斜盘为可拆装式，分为顶部斜盘16与底部斜盘15，底部斜盘15左侧为顶部斜盘16，右侧为滑靴18，滑靴18由回程盘19压紧，底部斜盘15上开有三组通孔，每组通孔上安装三个型号相同的电涡流位移传感器7，传感器7末端通过六角螺母6固定，底部斜盘15上开有内螺纹孔，不锈钢接头5螺纹端连接传感器末端螺母6与底部斜盘15内螺纹孔，线缆经由不锈钢接头5从出油口9传出，避免油液通过线缆泄露，此外，底部斜盘15通过销钉17紧固在顶部斜盘16上。缸体11内装有柱塞12以及一个控制柱塞10，其外侧开设出油口9，柱塞12沿轴向分布在主轴1外圈，主轴1上安装弹簧20，当主轴1高速运转时，弹簧20依靠伸缩力将缸体11压紧在配流盘13上，主轴1末端安装有圆锥滚子轴承22，并与后端盖14相连，共同构成整个测试装置。
参见图2，A、B、C三组传感器7紧固在顶部斜盘16上，且相隔120°，传感器7末端通过六角螺母6固定，底部斜盘15上开有内螺纹孔，不锈钢接头5螺纹端连接传感器末端螺母6与底部斜盘15内螺纹孔，线缆经由不锈钢接头5从出油口9传出，将数据采集处理以得到油膜厚度。
参见图3，由于互感M随线圈与滑靴间距的减小而增大，当位移发生变化时，电感L亦会发生变化。将线圈电感L作为振荡电路的一部分，在电容不变的情况下，线圈电感变化引起谐振频率f'改变，采用鉴频器对输出频率作频率-电压转换，即可得到与间隙h成正比的输出电压信号。
参见图4,，图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别代表轨迹内椭圆、轨迹中心椭圆以及轨迹外椭圆，传感器7安装在顶部斜盘16上，由于滑靴在轨迹中心椭圆Ⅱ上运动，故将B组传感器安装在椭圆短半轴处，A、C两组传感器则安装在椭圆上并且与之分别相隔120°、240°。每个传感器7的平面位置(i＝1,2,3)分别为0°、45°、225°，传感器7安装时应与顶部斜盘16空出安全距离h0，防止滑靴18与顶部斜盘16接触时磨损传感器7，影响传感器精度。此外，顶部斜盘16上开有三组通孔，其相隔120°，便于安装销钉17。
参见图5，传感器7上下两部分分别安装在顶部斜盘16与底部斜盘15上，防止传感器磨损，影响测量精度，传感器7末端通过六角螺母6固定，底部斜盘15上开有内螺纹孔，不锈钢接头5螺纹端连接传感器末端螺母6与底部斜盘15内螺纹孔，线缆经由不锈钢接头5从出油口9传出，避免油液通过线缆泄露。此外，图中标出了传感器7所测数据h以及安全距离h0，两者之差即为滑靴副油膜厚度Δh。
参见图6，当感应线圈和被测面间距h变化时，线圈的电感产生变化量ΔL。由于感应线圈是振荡电路的一部分，所以电感的变化引起振荡电路谐振频率f'的变化，即谐振频率f'会有相应Δf'的变化量。采用鉴频器对输出频率作频率-电压转换，可得到与间隙h成正比的输出电压信号e，对数据采集处理，得到平均油膜厚度取油膜均值h并与安装距离h0做差，得到Δh，若Δh<0，则传感器安装错误，需调整安装位置，重新检测油膜厚度；若Δh≥0，则输出实际油膜厚度Δh。
一、油膜厚度检测原理；
由于柱塞泵滑靴材料多为青铜，属合金范畴，当滑靴在变化着的磁场中运动时，其内部产生感应电流，因此可采用电涡流位移传感器测量油膜厚度。其测量原理为：将传感器线圈靠近滑靴，两者相距为h，当线圈输入交变高频电流时，将引起交变磁通，由于该交变磁通作用，滑靴内部产生闭合的感应电流，根据楞次定律，由该电流产生的交变磁通与线圈产生的磁场方向相反，从而使磁场的线圈阻抗发生变化。
图3是电涡流传感器等效电路图,其中R1、L1分别为线圈电阻和电感，R2、L2分别为金属导体的电阻和电感，传感器线圈和金属导体之间存在互感系数M，它随间距h的增大而减小。根据基尔霍夫电压平衡方程式，可求出传感器探头线圈的等效阻抗：
式中ω为线圈激励电流的角频率
进而可得出线圈等效电阻和电感：
由于互感M随线圈与导体间距的减小而增大，当位移发生变化时，电感L亦会发生变化。将线圈电感L作为振荡电路的一部分，在电容不变的情况下，线圈电感变化引起谐振频率f'改变，采用鉴频器对输出频率作频率-电压转换，即可得到与间隙h成正比的输出电压信号e。以下是它们之间的关系式：
L＝Φ1(h) ④
f'＝Φ2(L) ⑤
e＝Φ3(f') ⑥
h＝khe ⑦
上式中Φ1、Φ2、Φ3分别是间隙h、线圈电感L、谐振频率f'的函数，kh为间隙h与电压e之间的比例系数。
二、传感器的选择及参数验证；
本测试中顶部斜盘材料采用合金渗碳钢(20CrMnTi)，其加工变形微小，能承受强烈摩擦磨损以及交变载荷，底部斜盘材料为铸铁，与原有斜盘相比，顶部斜盘更耐磨，虽然斜盘材料有些变化，但对油膜的形成没有太大影响，只是便于在斜盘上加工通孔以及安装螺母。所选传感器为德国米铱公司生产的电涡流位移传感器NCDT3010，该型号传感器结构紧凑，能承受持续压力，安装空间最小2mm，检测精度最小0.025μm，响应频率高达25KHz，使用温度范围为-50℃～150℃，且探头具有温度补偿功能，能在较宽温度范围内使用，如遇有油污、高温以及高压等恶劣使用环境，传感器可最大限度进行补偿以减少对信号的影响，正因为这种优势，该型号传感器广泛应用于机械工程以及汽车检测系统领域。
传感器响应是能否检测到有效油膜厚度的重要方面，下面以泵转速n＝3000r/min，转动频率fn＝50Hz为例计算传感器响应频率f是否满足要求：
当实验所用泵有9个柱塞时，滑靴每转过40°，传感器测量一次数据，因此，滑靴每转1度所用时间T为：
滑靴频率f为：
因此，该传感器响应频率满足要求。
三、传感器安装及具体检测过程；
三点测油膜法的具体实施步骤为：鉴于滑靴运动轨迹为椭圆，运转过程中存在死点，且滑靴副油膜形状近似圆形，可按圆周方向排列传感器以测得油膜厚度，考虑到传感器安装位置是否存在油膜，需在顶部斜盘上做相应标记以确定滑靴位置，确保传感器有测量值。标记好后，将B组传感器安装在滑靴运转下死点处，A、C两组传感器与之分别间隔120°、240°，每组装有三个型号相同的传感器，安装位置θi(i＝1,2,3)分别为0°、45°、225°。当滑靴滑过顶部斜盘时，各组传感器开始记录油膜厚度，对数据采集处理，收集每组传感器数据并取平均值则该位置处实际油膜厚度如下式：
Claims (9)
1.一种定量柱塞泵滑靴副油膜厚度的检测装置，其特征在于，包括设置在定量柱塞泵内底部斜盘(15)和顶部斜盘(16)间的若干传感器(7)，传感器(7)的上下两部分分别固定在顶部斜盘(16)和底部斜盘(15)上，顶部斜盘(16)的上设置有滑靴(18)，顶部斜盘(16)与滑靴(18)间覆盖有油膜，传感器(7)的下部分与顶部斜盘(6)间具有间隙，传感器(7)分为A、B和C三组，A组传感器指向滑靴(18)运转的下死点处，B组传感器和C组传感器与A组传感器等角度设置在底部斜盘(15)上，定量柱塞泵包括缸体(11)，缸体(11)顶部设置有泵壳(8)，泵壳(8)上开设有出油口(9)，所有传感器(7)的线缆通过出油口(9)伸出后连接计算机。
2.根据权利要求1所述的一种定量柱塞泵滑靴副油膜厚度的检测装置，其特征在于，缸体(11)内插入主轴(1)，主轴(1)的一端伸出缸体(11)，缸体(11)前端设置有前端盖(3)，后端设置有后端盖(14)，前端盖(3)和后端盖(14)与主轴(1)连接，主轴(1)的前端通过第一轴承(4)与缸体(11)连接，主轴(1)的后端通过第二轴承(22)与后端盖(14)连接，主轴(1)的后端套设有弹簧(20)，主轴(1)上设有底部斜盘(15)和顶部斜盘(16)，顶部斜盘(16)上通过滑靴(18)连接有一个控制柱塞(10)和八个普通柱塞(12)，滑靴(18)通过回程盘(19)压紧。
3.根据权利要求2所述的一种定量柱塞泵滑靴副油膜厚度的检测装置，其特征在于，前端盖(3)与主轴(1)间设置有密封圈(2)。
4.根据权利要求2所述的一种定量柱塞泵滑靴副油膜厚度的检测装置，其特征在于，传感器(7)通过六角螺母(6)固定在底部斜盘(15)上，底部斜盘(15)上设置有不锈钢接头(5)，传感器(7)的线缆通过不锈钢接头(5)引出后再通过出油口(9)传出。
5.根据权利要求4所述的一种定量柱塞泵滑靴副油膜厚度的检测装置，其特征在于，传感器(7)的线缆上包裹有PET薄膜，PET薄膜外覆盖有PET热缩管，PET热缩管与线缆之间填充有涤纶树脂。
6.根据权利要求2所述的一种定量柱塞泵滑靴副油膜厚度的检测装置，其特征在于，底部斜盘(15)通过销钉(17)固定在顶部斜盘(16)上。
7.权利要求1所述的一种定量柱塞泵滑靴副油膜厚度的检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，顶部斜盘(6)持续转动，传感器(7)的线圈靠近滑靴(18)，两者相距为h，传感器(7)的线圈输入交变高频电流；
步骤二，传感器(7)的线圈引起交变磁通，滑靴内部产生闭合的感应电流；
步骤三，根据基尔霍夫电压平衡方程式，得到传感器探头线圈的等效阻抗，进而可得出传感器(7)线圈等效电阻和电感；
步骤四，由于互感M随线圈与导体间距的减小而增大，当位移发生变化时，电感L亦会发生变化，将传感器(7)线圈电感L作为振荡电路的一部分，在电容不变的情况下，线圈电感变化引起谐振频率f'改变，采用鉴频器对输出频率作频率-电压转换，即可得到与间隙h成正比的输出电压信号e，从而转换为油膜厚度。
8.根据权利要求7所述的一种定量柱塞泵滑靴副油膜厚度的检测装置的检测方法，其特征在于，步骤三中，传感器探头线圈的等效阻抗为：
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其中，R1、L1分别为线圈电阻和电感，R2、L2分别为金属导体的电阻和电感，传感器线圈和金属导体之间存在互感系数M，它随间距h的增大而减小，ω为线圈激励电流的角频率。
9.根据权利要求7所述的一种定量柱塞泵滑靴副油膜厚度的检测装置的检测方法，其特征在于，步骤三中，传感器(7)线圈等效电阻和电感为：
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| 孙营辉: "高速高压轴向柱塞泵滑靴副油膜特性参数测试系统研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑 第7期》 * |
| 李迎兵: "轴向柱塞泵滑靴副油膜特性研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑 第7期》 * |
| 林若波等: "《传感器技术与应用》", 30 September 2016 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112798651A (zh) * | 2019-11-13 | 2021-05-14 | 中国科学院化学研究所 | 一种基于电磁感应的无源湿度检测系统 |
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